中科大季恒星Angew:含鈷催化劑可顯著提高Al-S電池的電化學性能

【研究背景】

可充電鋁硫（Al-S）電池由于其安全性、較大的能量密度（8050 mAh cm^-3）和比容量（2890 mAh g^-1）以及組成電極材料的高地球豐度而被認為是鋰離子電池系統以外的潛在替代品，但是，由于硫正極的遲滯動力學響應導致高充放電電壓滯后和低能量密度，從而降低了整體儲能效率。此外，壽命短是限制Al-S電池向應用發展的主要問題。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學季恒星教授團隊研究了Co（II，III）對可充電Al-S電池中硫的電化學轉化反應的催化作用，從而降低了放電電壓滯后，提高了容量保持率和速率容量。當Co（II，III）固定在正極的碳基體中或溶解在離子液體基電解質中時，觀察到了Co（II，III）對硫的電化學轉化的催化作用，XPS分析表明，Co（II，III）的價態變化與Co（II，III）的價態變化有關。以碳基固體載Co（II，III）為正極組裝的Al-S電池具有~0.8v的低電壓滯回特性，在1A g^-1條件下進行200次充放電循環后，比容量保持為500 mAh g^-1，3A g^-1循環時比容量保持為300 mAh g^-1，表明改進的反應動力學和正極硫利用率。該文章近日以題為“Rechargeable Aluminum-Sulfur Battery with Improved Electrochemical Performance by Cobalt- Containing Electrocatalyst”發表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖一、電極性能測試

（a）對稱電池的CV曲線。

（b）在電流密度為1A g^-1的情況下，在不同正極材料組成的Al-S電池的第一個循環中測量的恒流放電充電曲線。

（c）Al-S電池的電壓滯后，即充電和放電平均電壓之間的差值曲線。

圖二、Al-S電池中Co（II，III）的化學狀態研究

（a）在Co/C和S@Co/C復合粉末上進行的Co 2p光譜的XPS。

（b）在無鈷電解液中循環的S@Co/C正極和在含CoCl₂電解液中循環的S@C正極上進行的Co 2p光譜分析。

（c-d）在無鈷電解液和CoCl₂電解液中，用S@Co/C組裝的Al-S電池的正極和負極上的S 2p的XPS光譜。分別在0.1和1.8 V電壓下（相對于Al/Al³⁺）對Al-S電池進行了解壓，獲得了電池放電和充電狀態的XPS數據。

圖三、Al-S電池的電化學性能研究

（a）裝有S@Co/C和S@C正極的Al-S電池的CV。

（b）在1 A g^-1的電流密度下測得的由S@Co/C正極組成的Al-S電池的恒電流放電-放電曲線及其電壓滯后。

（c）S@Co/C正極的速率性能。

（d）在電流密度為1 A g^-1時S@Co/C和S@C正極的循環性能。

圖四、電池容量保持率研究

（a）在裝有S@Co/C和S@C正極的Al-S電池中，經過10個放電-充電循環后，電解液的UV-vis光譜。

（b）S@Co/C正極在放電和充電狀態的XRD圖譜。

（c）在放電狀態和充電狀態下在S@Co/C正極上測得的S 2p的XPS譜圖。

【結論展望】

綜上所述，作者將Co（II，III）用作Al-S電池的電化學催化劑。在電池中加入Co（II，III），可提高多硫化物的反應活性，降低電壓滯后。當Co（II，III）固定在正極的碳基體中或溶解在離子液體基電解質中時，可以觀察到Co（II，III）對硫電化學轉化的催化作用，這種催化作用可能與Co（II，III）在放電-充電循環中的價態變化有關。當碳基體固定Co（II，III）時，表現出?0.8v的低電壓滯后，在1 A g^-1下進行200次充放電循環后，比容量保持為?500 mAh g^-1，3 A g^-1循環時比容量保持為300 mAh g^-1，表明反應動力學和正極硫利用率有所提高。這一工作對鋁硫電池中的電化學催化劑的研究具有一定的參考價值，對進一步提高鋁硫電池的動力學響應和電化學性能具有重要意義。

文獻鏈接：Rechargeable Aluminum‐Sulfur Battery with Improved Electrochemical Performance by Cobalt‐Containing Electrocatalyst (Angew. Chem. Int. Ed, 2020, DOI: 10.1002/anie.202008481)

本文由大兵哥供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu